II. PEMILIHAN PROSES DAN URAIAN PROSES. produk fotosintesis) dalam jangka panjang (Kimball, 1983)

II. PEMILIHAN PROSES DAN URAIAN PROSES

A. Jenis-jenis Proses Pati atau amilum adalah karbohidrat kompleks yang tidak larut dalam air, berwujud bubuk putih, tawar dan tidak berbau. Pati merupakan bahan utama yang dihasilkan oleh tumbuhan untuk menyimpan kelebihan glukosa (sebagai produk fotosintesis) dalam jangka panjang (Kimball, 1983)

Sirup maltosa atau sering juga disebut gula cair mengandung D-glukosa, dan polimer D-glukosa yang dibuat melalui proses hidrolisis pati. Proses hidrolisis pati menjadi sirup glukosa dapat dengan berbagai metoda, misalnya secara enzimatis, kimiawi, maupun kombinasi keduanya, menggunakan katalis enzim, asam atau gabungan keduanya. (Triyono, 2008)

Pembuatan maltosa dapat menggunakan dua cara, yaitu: a. Hidrolisis pati menggunakan asam b. Hidrolisis pati menggunakan enzim

Hidrolisis secara enzimatis memiliki perbedaan mendasar dengan hidrolisis secara asam. Hidrolisis secara asam memutus rantai pati secara acak,

9 sedangkan hidrolisis secara enzimatis memutus rantai pati secara spesifik pada percabangan tertentu (Triyono, 2008)

1. Hidrolisis pati menggunakan asam Hidrolisis asam merupakan proses pemecahan pati secara acak yang tidak dipengaruhi

oleh

keberadaan

ikatan

α-1,6-D-glukosidik.

Menurut

Wurzburg (1986), hidrolisis dengan asam akan lebih sensitif pada ikatan α1,4-D-glukosidik dibanding ikatan α-1,6-D-glukosidik. Namun struktur linier dengan ikatan α-(1,4) terdapat pada bagian kristalin, bagian ini tersusun sangat rapat sehingga sangat sukar dimasuki air dan atau asam, akibatnya akan lebih tahan terhadap asam. Bagian amorf walaupun tersusun oleh ikatan α- (1,6) namun merupakan daerah yang kurang padat, amorf, dan mudah dimasuki air sehingga akan memudahkan penetrasi dan hidrolisis asam terhadap granula pati.

Proses hidrolisa asam menggunakan senyawa asam sebagai katalis, baik asam lemah maupun asam kuat. Secara umum hidrolisis asam encer terdiri dari dua tahap. Pada tahap pertama sebagian besar pati akan terhidrolisis menjadi maltosa. Tahap kedua dioptimasi untuk menghidrolisis maltosa sehingga menghasilkan glukosa. Jenis asam encer yang biasanya digunakan untuk hidrolisis ini adalah HCl encer. Kelemahan dari hidrolisis asam encer adalah degradasi gula hasil di dalam reaksi hidrolisis dan pembentukan produk samping yang tidak diinginkan.

10 Proses hidrolisis dengan asam encer memiliki keterbatasan dalam hal efisiensi recovery gula, yaitu hanya sebesar 50%. Hal ini dikarenakan pada proses degradasi gula terjadi pembentukan produk yang tidak diinginkan seperti furfural yang merupakan bahan kimia yang digunakan dalam industri plastik. Furfural ini dapat mematikan mikroorganisme yang melakukan proses fermentasi. Keuntungan utama penggunaan asam encer adalah reaksinya yang cepat sehingga mempercepat proses berikutnya, sedangkan kerugiannya yaitu hasil gula yang diperoleh sedikit (Badger 2002).

Degradasi gula dan produk samping ini tidak hanya akan mengurangi hasil produksi glukosa. Beberapa senyawa inhibitor yang dapat terbentuk selama proses hidrolisis asam encer adalah furfural, 5-hydroxy methyl furfural (HMF), asam levulinik (levulinic acid), asam asetat (acetic acid), asam format (formic acid), asam uronat (uronic acid), asam 4hydroxybenzoic,

asam

vanilik

(vanilic

acid),

vanillin,

phenol,

cinnamaldehyde, formaldehida (formaldehyde), dan beberapa senyawa lain (Taherzadeh & Karimi, 2007).

Proses hidrolisis asam pekat (concentrated acid hydrolysis), meliputi proses dekristalisasi pati dengan asam pekat (misalnya HCl) dan dilanjutkan dengan hidrolisis pati dengan asam encer. Tantangan utama dari teknologi ini adalah pemisahan gula dengan asam, recovery asam, dan rekonsentrasi asam (Scheper, 2007).

11 2. Hidrolisis pati menggunakan enzim α-amilase banyak dimanfaatkan untuk industri gula cair seperti glukosa, maltosa, dekstrosa, alkohol, dan proses biokonversi pati menjadi monomernya. α-amilase umumnya digunakan pada tahap likuifikasi pati pada proses pembuatan gula cair. Proses likuifikasi berlangsung pada suhu sekitar 90°C sehingga α-amilase termostabil sangat tepat untuk proses ini. (Lestari, 2001)

Amilase terdiri dari 3 jenis, yaitu α-amilase, β-amilase, dan glukoamilase. Enzim α-amilase bekerja dengan memecah ikatan α-1,4 glikosidik pada rantai lurus amilum sehingga menghasilkan glukosa dalam konfigurasi α, maltosa dan dekstrin. Enzim β-amilase bekerja dengan memecah ikatan α1,4 glikosidik dan tidak mampu melewati ikatan percabangan α-1,6 glikosidik sehingga menghasilkan maltosa dengan konfigurasi beta. Enzim glukoamilase bekerja dengan menghidrolisis ikatan α-1,4 dan α-1,6 glikosidik dari gugus non pereduksi sehingga menghasilkan D-glukosa (Jayanti, 2011)

Karbohidrat sebagai bahan persediaan makanan dirombak oleh enzim αamilase dan β-amilase yang bekerja saling mengisi. α--amilase memecah pati menjadi glukosa, sedangkan β-amilase memecah pati menjadi maltosa. Pada akhirnya, maltosa akan diubah menjadi glukosa dan fruktosa. Proses pembuatan maltosa dapat dilakukan melalui proses hidrolisa enzimatis dengan menggunakan bantuan enzim β-amilase. (Lugraha, et. al., 2008)

12 Pada proses hidrolisis pati, terdapat tiga tahapan dalam mengkonversi pati yaitu tahap gelatinisasi, likuifikasi dan sakarifikasi. Tahap gelatinisasi merupakan tahap pembentukan suspensi kental dari butir pati, tahap likuifikasi yaitu hidrolisis pati parsial yang ditandai dengan menurunnya viskositas, sedangkan sakarifikasi merupakan proses lebih lanjut dari hidrolisis untuk menghasilkan glukosa (Shi, et. al., 2000).

Proses pembuatan maltosa dengan menggunakan metode Hidrolisis Enzim melalui beberapa tahapan reaksi : a. Tahapan Likuifaksi Tahap likuifaksi adalah proses pencairan gel pati dengan enzim αamilase. Tujuan dari proses ini adalah untuk melarutkan pati secara sempurna, mencegah isomerisasi gugus pereduksi dari dekstrosa dan mempermudah kerja enzim α-amilase untuk menghidrolisis pati menjadi bentuk gula-gula sederhana (Judoamidjojo, 1992). Adapun reaksinya sebagai berikut:

(

)

Pati

→ 100(

Dekstrin

)

Pada tahap likuifikasi temperatur yang digunakan adalah sebesar 850C dan waktu reaksi berlangsung selama 2 jam untuk menghasilkan dekstrin dengan kualitas baik.

13 b. Tahapan Sakarifikasi Proses ini merupakan proses hidrolisis II dengan menggunakan enzim β-amilase untuk mengkonversi dekstrin menjadi maltosa. (C H O )

Dekstrin

+ 5H O → 5(C H O ) Air

Maltosa

(US. Patent, 16 Juni 2014 Pukul 14.47)

B. Pemilihan Proses Young-Jung Wee mengatakan sangat menguntungkan bila bahan baku mempunyai kriteria :  Murah  Tingkat kontaminasi untuk bakteri rendah  Produk yang dihasilkan banyak  Sedikit atau tidak mengandung produk samping  Dapat difermentasi tanpa melakukan perlakuan awal bila menggunakan enzim  Dapat beroperasi sepanjang tahun dalam jumlah besar Dalam pemilihan proses untuk merancang pabrik, maka diperlukan perhitungan ekonomi dan perhitungan panas reaksi untuk menjadi pertimbangan. 1. Perhitungan Ekonomi Kasar Perhitungan ekonomi kasar didasarkan pada 2 jenis bahan baku yang potensial di Lampung, yaitu singkong dan tapoka. Perbandingan kandungan pati yang terdapat dalam kedua bahan baku tersebut adalah.

14 Tabel 2.1. Perbandingan Kandungan Pati dalam Bahan Baku Kandungan Pati No Bahan Baku (%) 1

Singkong

35a

2

Tapioka

85b

Sumber: a = Badan Litbang Pertanian, 2011 ; b = Grace, 1977 dalam Rahman, A. M., 2007

Tabel 2.2. Harga Katalis dan Produk No Nama Rp/Unit 1

Asam Klorida

1008/Kg

2

α-amilase

19.374/Kg

3

β-amilase

41.650/Kg

4

Maltosa

12.000/Kg

a. Perhitungan ekonomi kasar hidrolisis singkong menjadi maltosa menggunakan enzim α-amilase dan β-amilase Kapasitas Produksi Maltosa

= 50.000 ton/tahun = 6.313,13 kg/jam = 18,459 kmol/jam

Kandungan Pati dalam Singkong

= 35 %

Konversi Pati menjadi Dekstrin

= 95,14% (Zusfahair, 2012)

Konversi Dekstrin menjadi Maltosa

= 98% (Patent US1988/4780149)

 Jumlah Pati yang dibutuhkan; Reaksi Likuifikasi (

Pati

)

→ 100(

Dekstrin

mA0

-

-mA0.X

100mA0.X

)

15 mA0(1-X)

100mA0.X

mA

mB

Reaksi Sakarifikasi (C H O )

Dekstrin

Mula-mula : Reaksi

:

Sisa

:

+ 5 H O → 5 (C H O ) Air

mB

mC0

-

-mB.X’

-5 mB.X’

+5 mB.X’

mB(1-X’) mC0-5mB.X’ mB ’

Dimana,

=

Maltosa

=5

5mB.X’

mC

mD

′

= 100

Jadi,

= 5(100 = 500 = =

(500

)

′

)

18,459 (500 × 0,9514 × 0,98)

= 0,0396

ℎ

/

= 0,0396

= 6414,67

/

/

× 162000

16  Jumlah Singkong yang dibutuhkan ℎ

=

ℎ

=

100

×

ℎ

100 × 6414,67 35

= 18.327,63

 Jumlah Enzim α-amilase (EA) yang dibutuhkan pada proses likuifikasi; Banyaknya EA yang dibutuhkan

= 0,6 kg/ton pati

Jumlah Pati yang masuk

= 6414,67 kg/jam

=

×

ℎ

= 0,6⁄1000 × 6414,67 = 3,85

/

 Jumlah Enzim β-amilase (EB) yang dibutuhkan pada proses sakarifikasi; Banyaknya EB yang dibutuhkan

= 0,6 kg/ton pati

Jumlah Dekstrin yang masuk

= 6102,92 kg/jam

=

×

= 0,6⁄1000 × 6102,92

Pengeluaran

Komponen Singkong α-amilase β-amilase Total

ℎ

/

Massa (kg/jam) 18327,63 3,85 3,66 18.335,14

= 3,66

/ Biaya (Rp/jam) 1.000,00 18.327.636,38 19.374,00 74.566,72 46.150,00 152.511,96

Harga (Rp/kg)

18.554.715,06

17 Pemasukan Massa (kg/jam) 6.313,13

Komponen Maltosa

Keuntungan

Biaya (Rp/jam) 12.000,00 69.444.444,44

Biaya (Rp/kg)

= Rp. 57.202.860,70

b. Perhitungan ekonomi kasar hidrolisis tapioka menjadi maltosa menggunakan enzim α-amilase dan β-amilase Kapasitas Produksi Maltosa

= 50.000 ton/tahun = 6.313,13 kg/jam = 18,46 kmol/jam

Kandungan Pati dalam Tapioka

= 85 %

Konversi Pati menjadi Dekstrin

= 95,14 % (Zusfahair, 2012)

Konversi Dekstrin menjadi Maltosa

= 98% (Patent US1988/4780149)

 Jumlah Pati yang dibutuhkan; Reaksi Likuifikasi (

Pati

)

→ 100(

Dekstrin

mA0

-

-mA0.X

100mA0.X

mA0(1-X)

100mA0.X

mA

mB

)

18 Reaksi Sakarifikasi (C H O ) + 5 H O → 5 (C H O ) Dekstrin

Mula-mula : Reaksi

:

Sisa

:

Air

mB

mC0

-

-mB.X’

-5 mB.X’

+5 mB.X’

mB(1-X’) mC0-5mB.X’ mB ’

Dimana,

=

Maltosa

=5

5mB.X’

mC

mD

′

= 100

Jadi,

= 5(100 = 500 = =

(500

)

′

)

18,46 (500 × 0,9514 × 0,7)

= 0,0396

ℎ

/

= 0,0396

= 6414,67

/

/

× 162000

 Jumlah Tapioka yang dibutuhkan ℎ

=

ℎ

=

100

×

ℎ

100 × 6414,67 85

= 7458,92

19  Jumlah Enzim α-amilase (EA) yang dibutuhkan pada proses likuifikasi; Banyaknya EA yang dibutuhkan

= 0,6 kg/ton pati

Jumlah Pati yang masuk

= 6414,67 kg/jam

=

×

ℎ

= 0,6⁄1000 × 6414,67 = 3,85

/

 Jumlah Enzim β-amilase (EB) yang dibutuhkan pada proses sakarifikasi; Banyaknya EB yang dibutuhkan

= 0,6 kg/ton pati

Jumlah Dekstrin yang masuk

= 6102,92 kg/jam

=

×

= 0,6⁄1000 × 6102,92

Pengeluaran

Komponen Tapioka α-amilase β-amilase Total

ℎ

/

= 3,66

Massa (kg/jam) 7458,92 3,85 3,66 7.466,43

/ Biaya (Rp/jam) 4.300,00 32.073.363,66 19.374,00 74.566,72 46.150,00 152.511,96 32.300.442,34

Harga (Rp/kg)

Pemasukan Komponen Maltosa

Keuntungan

Massa (kg/jam) 6.313,13

= Rp. 37.144.002,10

Biaya (Rp/jam) 12.000,00 75.757.575,76

Biaya (Rp/kg)

20 c. Perhitungan ekonomi kasar hidrolisis singkong menjadi maltosa menggunakan asam klorida Kapasitas Produksi Maltosa

= 50.000 ton/tahun = 6.313,13 kg/jam = 18,46 kmol/jam

Kandungan Pati dalam Singkong

= 35%

Konversi Pati menjadi Maltosa

= 57%

 Jumlah Pati yang dibutuhkan; (C H O )

Dekstrin

M:

+ 400 H O → 100 (C H O ) + 50(

mA0

Maltosa

Dekstrin

mB0

-

-

-

+100 mA0.X

+50 mA0.X

+300mA0.X

100mA0.X

50 mA0.X

300mA0.X

mC

mD

mE

S : mA0(1-X)mB0-400mA0.X mB =

Jadi, = =

+ 300(

Air

R : -mA0.X -400 mA0.X

mA

)

= 100

(100 )

18,46 (100 × 0,57)

= 0,324

/

ℎ

= 0,324

= 52.463,69

/

× 162000

Dekstrosa

)

21  Jumlah Singkong yang dibutuhkan ℎ

=

ℎ

=

100

×

ℎ

100 × 52.463,69 35

= 149.896,27

 Jumlah Asam Klorida yang dibutuhkan

Untuk menghidrolisis pati menjadi Maltosa, dibutuhkan: Molaritas HCl yang dibutuhkan, M2 = 0,5 M Kebutuhan = 2 L/kg Pati ℎ ℎ

,

=

=2 /

ℎ

= 104.927,39

×

ℎ

× 52.463,69

/

Di pasaran tersedia HCL 37% dengan: ρ HCl = 1,183 kg/L = 1.183 g/L BM HCl = 36,5 g/mol Massa HCl 37% dalam 1 L larutan = 1.183 g/L x 1 L = 1.183 g Molaritas HCl, M1 =

=

,

.

/

= 0,88 M Maka, untuk menghitung V1 adalah: ×

=

=

×

×

=

0,5 × 104.927,39 = 59.082,64 0,88

22 37% Pengeluaran

ℎ

= 69.894,75

= 59.082,64

Massa (kg/jam) 149.896,27 69.894,75 219.791,03

Komponen Singkong HCl Total

× 1,183

/

Biaya (Rp/jam) 1.000,00 149.896.271,88 1.008,00 70.453.915,89 220.350.187,77

Harga (Rp/kg)

Pemasukan Massa (kg/jam) 6.313,13 3.322,70 9.635,83

Komponen Maltosa Dekstrosa Total

Keuntungan

Biaya (Rp/jam) 12.000,00 75.757.575,76 8.280,00 27.511.961,72 103.269.537,48

Biaya (Rp/kg)

= Rp. -117.080.650,1

d. Perhitungan ekonomi kasar hidrolisis tapioka menjadi maltosa menggunakan asam klorida Kapasitas Produksi Maltosa

= 50.000 ton/tahun = 6.313,13 kg/jam = 18,46 kmol/jam

Kandungan Pati dalam Singkong

= 85%

Konversi Pati menjadi Maltosa

= 57%

23  Jumlah Pati yang dibutuhkan; (C H O )

Dekstrin

M:

+ 400 H O → 100 (C H O ) + 50(

mA0

Maltosa

Dekstrin

mB0

-

-

-

+100 mA0.X

+50 mA0.X

+300mA0.X

100mA0.X

50 mA0.X

300mA0.X

mC

mD

mE

S : mA0(1-X)mB0-400mA0.X mB =

Jadi, = =

+ 300(

Air

R : -mA0.X -400 mA0.X

mA

)

Dekstrosa

= 100

(100 )

18,46 (100 × 0,57)

= 0,324

/

ℎ

= 0,324

= 52.463,69

× 162000

/

 Jumlah Tapioka yang dibutuhkan ℎ

=

ℎ

=

100

×

ℎ

100 × 52.463,69 85

= 61.004,30

 Jumlah Asam Klorida yang dibutuhkan Untuk menghidrolisis pati menjadi Maltosa, dibutuhkan: Molaritas HCl yang dibutuhkan, M2 = 0,5 M

)

24 Kebutuhan = 2 L/kg Pati ℎ ℎ

,

=

=2 /

ℎ

×

= 104.927,39

ℎ

× 52.463,69

/

Di pasaran tersedia HCL 37% dengan: ρ HCl = 1,183 kg/L = 1.183 g/L BM HCl = 36,5 g/mol Massa HCl 37% dalam 1 L larutan = 1.183 g/L x 1 L = 1.183 g Molaritas HCl, M1 =

=

,

.

/

= 0,88 M Maka, untuk menghitung V1 adalah: ×

=

=

×

37%

Pengeluaran

×

=

Pemasukan

ℎ

= 69.894,75

Komponen Tapioka HCl Total

0,5 × 104.927,39 = 59.082,64 0,88 = 59.082,64

Massa (kg/jam) 61.004,30 69.894,75 130.899,05

× 1,183

/

Biaya (Rp/jam) 4.300,00 262.318.475,62 1.008,00 70.453.915,89 332.772.391,51

Harga (Rp/kg)

25

Maltosa Dekstrosa Total

Massa (kg/jam) 6.313,13 3.322,70 9.635,83

Keuntungan

= Rp. -235.815.985,34

Komponen

Biaya (Rp/kg) 12.000,00 8.280,00 19.280,00

Biaya (Rp/jam) 69.444.444,44 27.511.961,72 96.956.406,17

e. Perhitungan ekonomi kasar hidrolisis singkong menjadi maltosa menggunakan asam klorida dan enzim β-amilase Kapasitas Produksi Maltosa

= 50.000 ton/tahun = 6.313,13 kg/jam = 18,46 kmol/jam

Kandungan Pati dalam Singkong

= 35%

Konversi Pati menjadi Maltosa

= 57%

 Jumlah Pati yang dibutuhkan; (C H O )

Dekstrin

M:

mA0

+ 400 H O → 100 (C H O ) + 50(

+ 300(

Air

Maltosa

Dekstrin

mB0

-

-

-

+100 mA0.X

+50 mA0.X

+300mA0.X

100mA0.X

50 mA0.X

300mA0.X

mC

mD

mE

R : -mA0.X -400 mA0.X S : mA0(1-X)mB0-400mA0.X mA

)

mB (C H O )

Dekstrin

Mula-mula : Reaksi

:

Sisa

:

Dekstrosa

+ 5 H O → 5 (C H O ) Air

Maltosa

mD

mB0

-

-mD.X’

-5 mD.X’

+5 mD.X’

mD(1-X’) mB0-5mD.X’

5mD.X’

)

26 mD’ =

Jadi,

=

=

+

= 100

+5

= 100

+ 250

= 100

=

mB ’

=

mC ’

′

)

+ 5(50 (100 + 250 )

(100 + 250 )

18,46 0,24(100 + (250 × 0,98))

= 0,159

/

ℎ

= 0,159

= 25.824,10

/

× 162000

 Jumlah Singkong yang dibutuhkan ℎ

=

ℎ

=

100

×

ℎ

100 × 25.824,10 35

= 73.783,13

 Jumlah Asam Klorida yang dibutuhkan Untuk menghidrolisis pati menjadi Maltosa, dibutuhkan: Molaritas HCl yang dibutuhkan, M2 = 0,5 M Kebutuhan = 2 L/kg Pati

27 ℎ ℎ

,

=

=2 /

ℎ

×

= 104.927,39

ℎ

× 52.463,69

/

Di pasaran tersedia HCL 37% dengan: ρ HCl = 1,183 kg/L = 1.183 g/L BM HCl = 36,5 g/mol Massa HCl 37% dalam 1 L larutan = 1.183 g/L x 1 L = 1.183 g Molaritas HCl, M1 =

=

,

.

/

= 0,88 M Maka, untuk menghitung V1 adalah: ×

=

=

×

37%

×

=

0,5 × 104.927,39 = 59.082,64 0,88 ℎ

= 69.894,75

= 59.082,64

× 1,183

/

 Jumlah Enzim β-amilase (EB) yang dibutuhkan pada proses sakarifikasi; Banyaknya EB yang dibutuhkan

= 0,6 kg/ton pati

Jumlah Dekstrin yang masuk

= 3.098,89 kg/jam

=

×

= 0,6⁄1000 × 3.098,89

ℎ

/

= 1,86

/

28 Pengeluaran Massa (kg/jam) 73.783,13 69.894,75 1,86 143.679,75

Komponen Singkong HCl β-amilase Total

Harga (Rp/kg) 1.000,00 1.008,00 41.650,00 43.658,00

Biaya (Rp/jam) 73.783.138,96 70.453.915,89 77.441,31 144.314.496,2

Pemasukan Massa (kg/jam) 6.313,13 3.322,70 9.635,83

Komponen Maltosa Dekstrosa Total

Keuntungan

Biaya (Rp/jam) 12.000,00 69.444.444,44 8.280,00 27.511.961,72 19.280,00 82.986.601,77

Biaya (Rp/kg)

= Rp. -55.014.763,07

f. Perhitungan ekonomi kasar hidrolisis tapioka menjadi maltosa menggunakan asam klorida dan enzim β-amilase Kapasitas Produksi Maltosa

= 50.000 ton/tahun = 6.313,13 kg/jam = 18,46 kmol/jam

Kandungan Pati dalam Tapioka

= 85%

Konversi Pati menjadi Maltosa

= 57%

 Jumlah Pati yang dibutuhkan; (C H O )

Dekstrin

M:

mA0

+ 400 H O → 100 (C H O ) + 50(

)

+ 300(

Air

Maltosa

Dekstrin

mB0

-

-

-

+100 mA0.X

+50 mA0.X

+300mA0.X

R : -mA0.X -400 mA0.X

Dekstrosa

)

29 S : mA0(1-X)mB0-400mA0.X mA

100mA0.X

50 mA0.X

300mA0.X

mC

mD

mE

mB (C H O )

Dekstrin

Mula-mula : Reaksi

:

Sisa

:

+ 5 H O → 5 (C H O ) Air

mD

mB0

-

-mD.X’

-5 mD.X’

+5 mD.X’

mD(1-X’) mB0-5mD.X’ mD’

=

Jadi,

=

=

+

+5

= 100

+ 250

= 100

=

mB ’

= 100

=

Maltosa

5mD.X’ mC ’

′

)

+ 5(50 (100 + 250 )

(100 + 250 )

18,46 0,24(100 + (250 × 0,98))

= 0,159

/

ℎ

= 0,159

= 25.824,10

/

× 162000

 Jumlah Singkong yang dibutuhkan ℎ

=

100

×

ℎ

30 ℎ

=

100 × 25.824,10 35

= 30.028,02

 Jumlah Asam Klorida yang dibutuhkan

Untuk menghidrolisis pati menjadi Maltosa, dibutuhkan: Molaritas HCl yang dibutuhkan, M2 = 0,5 M Kebutuhan = 2 L/kg Pati ℎ ℎ

,

=

=2 /

ℎ

×

= 104.927,39

ℎ

× 52.463,69

/

Di pasaran tersedia HCL 37% dengan: ρ HCl = 1,183 kg/L = 1.183 g/L BM HCl = 36,5 g/mol Massa HCl 37% dalam 1 L larutan = 1.183 g/L x 1 L = 1.183 g Molaritas HCl, M1 =

=

,

.

/

= 0,88 M Maka, untuk menghitung V1 adalah: ×

=

=

×

37%

×

=

0,5 × 104.927,39 = 59.082,64 0,88 ℎ

= 69.894,75

= 59.082,64

× 1,183

/

31  Jumlah Enzim β-amilase (EB) yang dibutuhkan pada proses sakarifikasi; Banyaknya EB yang dibutuhkan

= 0,6 kg/ton pati

Jumlah Dekstrin yang masuk

= 3.098,89 kg/jam

=

×

= 0,6⁄1000 × 3.098,89

Pengeluaran

ℎ

/

= 1,86

Massa (kg/jam) 30.028,02 69.894,75 1,86 99.924,63

Komponen Tapioka HCl β-amilase Total

/

Harga (Rp/kg) 4.300,00 1.008,00 41.650,00 46.958,00

Biaya (Rp/jam) 129.120.493,20 70.453.915,89 77.441,31 191.651.850,42

Pemasukan

Maltosa Dekstrosa Total

Massa (kg/jam) 6.313,13 1.635,52 7.948,65

Keuntungan

= Rp. -110.352.117,29

Komponen

Biaya (Rp/jam) 12.000,00 75.757.575,76 8.280,00 13.542.157,32 89.299.733,08

Biaya (Rp/kg)

2. Perhitungan Panas Reaksi Jika

proses

ditinjau

dari

panas

reaksinya,

yaitu

dengan

cara

memperhitungkan nilai energi bebas Gibss (kondisi reaksi) (∆GR) dan panas reaksi pembentukan (kondisi reaksi) (∆HR). ∆

=∆

+

∆

.

32 ∆

= ∆

−

∆

−∆

+

∆

∆

−

Bahan baku utama dan produk yang dihasilkan memiliki rumus molekul panjang dan memiliki beberapa gugus fungsi, sehingga untuk menghitung nilai energy bebas Gibss standar (∆G0) dan panas reaksi pembentukan standar (∆H0f)

digunakan pendekatan rumus molekul yaitu dengan

kontribusi gugus fungsi. Metode Joback pada Reid 1987 dapat digunakan untuk estimasi nilai ∆G0 dan ∆H0f . Kontribus gugus fungsi yang terdapat pada reaksi dapat dilihat pada tabel di bawah ini. Tabel 2.3. Kontribusi Gugus Fungsi pada Pati (C6H10O5)1000 Gugus

∆H0f (kJ/mol)

∆G0 (kJ/mol)

Jumlah (ni)

-CH2-

-26,8

-3,68

1000

-CH-

8,67

40,99

5000

-OH

-208,04

-189,2

3002

-O- (ring)

-138,16

-98,22

1000

-O- (nonring)

-132,22

-105

999

(Sumber : Reid, C., Ed.4th, 1987, hal. 155, Tabel 6.1)

Tabel 2.4. Kontribusi Gugus Fungsi pada Dextrin (C6H10O5)10 Gugus

∆H0f (kJ/mol)

∆G0 (kJ/mol)

Jumlah (ni)

-CH2-

-26,8

-3,68

10

-CH-

8,67

40,99

50

-OH

-208,04

-189,2

32

-O- (ring)

-138,16

-98,22

10

-O- (nonring)

-132,22

-105

9

(Sumber : Reid, C., Ed.4th, 1987, hal. 155, Tabel 6.1)

33 Tabel 2.5. Kontribusi Gugus Fungsi pada Maltosa (C12H22O11) Gugus

∆H0f (kJ/mol)

∆G0 (kJ/mol)

Jumlah (ni)

-CH2-

-26,8

-3,68

2

-CH-

8,67

40,99

10

-OH

-208,04

-189,2

8

-O- (ring)

-138,16

-98,22

2

-O- (nonring)

-132,22

-105

1

(Sumber : Reid, C., Ed.4th, 1987, hal. 155, Tabel 6.1) Tabel 2.6. Nilai ∆H0f dan ∆G0 pada H2O Gugus H2O(l)

∆H0f (kJ/kmol) ∆G0 (kJ/kmol) -285,8

-237,13

(Sumber : Smith, J.M., Ed.6th, 2001, Appx. C4, Tabel C.4) Kapasitas panas untuk pati, dextrin, dan maltosa

dapat dihitung

menggunakan pendekatan kontribusi gugus fungsional. Reid 1987 memberikan estimasi perhitungan kapasitas panas berdasarkan jumlah gugus fungsi yang terdapat pada suatu bahan untuk setiap temperatur dengan Metode Missenard (Reid, C., Ed.4th, 1987, hal. 139, Tabel. 5.11). Tabel 2.7. Kontribusi Gugus Metode Missenard Gugus

Kapasitas Panas (J/mol K) 273 K

298 K

323 K

348 K

373 K

-CH2-

27,6

28,2

29,1

29,9

31,0

-CH-

23,8

24,9

25,7

26,6

28,0

-OH

33,5

43,9

52,3

61,7

71,1

-O- (ring)

29,3

29,7

30,1

30,5

31,0

-O- (non

29,3

29,7

30,1

30,5

31,0

ring) (Sumber : Reid, C., Ed.4th, 1987, hal. 139, Tabel. 5.11)

Berikut kontribusi gugus fungsi yang terdapat pada pati, dextrin, dan maltosa.

34 Tabel 2.8. Kontribusi Gugus Fungsi pada Pati, Dextrin, dan Maltosa Gugus

Pati

Dextrin

Maltosa

-CH2-

1000

10

2

-CH-

5000

50

10

-OH

3002

32

8

-O- (ring)

1000

10

2

-O- (non ring)

999

9

1

Menghitung nilai ∆H0f untuk pati, dextrin, dan maltosa. ∆H0f (C6H10O5)1000

= (68.29 + ∑ ∆H0f ikatan ) kJ/mol = [68.28 + ((1000 x -26,8) + (5000 x 8,67) + (3002 x -208,04) + (1000 x -138,16) + (999 x -132,22)] = -878.166 kJ/mol

∆H0f (C6H10O5)10

= (68.29 + ∑ ∆H0f ikatan ) kJ/mol = [68.28 + ((10 x -26,8) + (50 x 8,67) + (32 x -208,04) + (10 x -138,16) + (9 x -132,22)] = -8.995,57 kJ/mol

∆H0f (C12H22O11)

= (68.29 + ∑ ∆H0f ikatan ) kJ/mol = [68.28 + ((2 x -26,8) + (10 x 8,67) + (8 x -208,04) + (2 x -138,16) + (1 x -132,22)] = -1.971,48 kJ/mol

Menghitung nilai energi bebas Gibss standar (∆G0) untuk pati, dextrin, dan maltosa. ∆ G0 (C6H10O5)1000

= (53,88 + ∑ G0 ikatan ) kJ/mol

35 = [53,88 + ((1000 x -3,68) + (5000 x 40,99) + (3002 x -189,2) + (1000 x -98,22) + (999 x -105)] = -569.770 kJ/mol ∆ G0 (C6H10O5)10

= (53,88 + ∑ G0 ikatan ) kJ/mol = [53,88 + ((10 x -3,68) + (50 x 40,99) + (32 x -189,2) + (10 x -98,22) + (9 x -105)] = -5.915,02 kJ/mol

∆ G0 (C12H22O11)

= (53,88 + ∑ G0 ikatan ) kJ/mol = [53,88 + ((2 x -3,68) + (10 x 40,99) + (8 x -189,2) + (2 x -98,22) + (1 x -105)] = -1.358,62 kJ/mol

a. Reaksi dengan katalis enzim Reaksi pertama, likuifikasi (temperatur 85° ) (

)

→ 100(

Persamaan ΔH°f ΔH°f

)

= ΔH°f produk - ΔH°f reaktan = [100 ΔH°f(

) ] – [ΔH°f(

= [100 x (-6.914,68)] - (-878.166)

)

]

= 186.697,6 kJ/mol Cp untuk liquifikasi diperoleh dengan mengurangi jumlah kapasitas panas gugus fungsi produk terhadap reaktan. ∆Cp = ∑

∆Cp = 100[(10x30,34)+ (50x27,16)+(32x65,46) +(10x30,7) + (9x30,7)]

36 - [(1000x30,34) + (5000x27,16) + (3002x65,46) + (1000x30,7) + (999x30,7)] ∆Cp = (100 x 4339,42) – 424020,22 ∆Cp = 9921,78 J/mol K Sehingga ∆

untuk liquifikasi ( 85° atau 358,15 K) adalah

∆

=∆

+

∆

.

∆

= -21.341,43 + (9921,78 x (358,15-293,15)) = -20.746.123,2 J/mol = -20.746,123 kJ/mol

Persamaan ΔG° ΔG° = ΔG°produk - ΔG°reaktan ) ] – [ΔG°(

= [100 ΔG°(

= [100 x (-5.915,02)] - (-569.769,52)

)

]

= -21.732,48 kJ/mol −

∆

−∆

+

∆

−

∆

∆

= ∆

∆

= (-21.341,43) – [(358,15/298,15)x(-21.341,43 x -21.732,48)] + [8,314 x (9921,78/8,314) x (358,15-298,15)] – [(8,314 x 358,15) x (9921,78/8,314) x (358,15-298,15)/358,15]

∆ ∆

= -21.811.175,29 J/mol = -21.811,175 kJ/mol

Dan reaksi kedua, sakarifikasi (temperatur 50° ) (

)

+ 5

→ 5(

)

37 Persamaan ΔHf ΔHf

= ΔHf produk - ΔHf reaktan = [5 ΔH°f ( +ΔH°f (

) ]

)] – [5 ΔH°

= [5 x (-1.971,48)] – [(5 x (-0,285)) + (-8.995,07)] = -860,851 kJ/mol ∆Cp = ∑

∆Cp = 5[(2x30,34)+ (10x27,16)+ (8x65,46) + (2x30,7) + (1x30,7)]

- {[(1000x30,34) + (5000x27,16) + (3002x65,46) + (1000x30,7) + (999x30,7)] + [5x75,3]}

∆Cp = (5 x 948,06) – [4339,42 + (5 x 75,3)] ∆Cp = 71,5 J/mol K Sehingga ∆

untuk sakarifikasi ( 50° atau 323,15 K) adalah

∆

=∆

+

∆

.

∆

= -860.851+ (71,5 x (323,15-293,15)) = -859.063,5 J/mol = -859,064 kJ/mol

Persamaan ΔG° ΔG° = ΔG° produk - ΔG° reaktan = [5 ΔG° (

)] – [5 ΔG°

+ΔG° (

= [5 x (-1.358,62)] – [(55 x (-0,237)) + (-5.915,02)] = -877,843 kJ/mol

) ]

38 −

∆

−∆

∆

+

∆

∆

= ∆

−

∆

= (-860.851) – [(323,15/298,15)x(-860.851 x -877.843)] + [8,314 x (71,5 /8,314) x (323,15-298,15)] – [(8,314 x 323,15) x (71,5 /8,314) x (323,15-298,15)/323,15]

∆ ∆

= -879.267,87 J/mol = -879,267 kJ/mol

b. Reaksi dengan katalis asam (temperatur 180° ) (

)

+ 400

) + 50(

→ 100(

Persamaan ΔH°r ΔH°f

)

)

+ 300(

= ΔH°f produk - ΔH°f reaktan = [100 ΔH°f ( 300 ΔH°f (

+ 400 ΔH°

) + 50 ΔH°f (

]

)] – [ΔH°f (

)

)

+

= [(100x(-1.971,48))+(50x(-8.995,07))+(300 x (-1.093,52))] – [(-878.166) + (400 x (-0,2858))] = -96.676,61 kJ/mol ∆Cp = ∑

∆Cp = 100[(2x34,52)+ (10x32,48)+ (8x101,18) + (2x32,6) + (1x32,6)]

+50[(10x34,52)+(50x32,48)+(32x101,18)+(10x32,6)+ (9x32,6)] +300[(1x34,52)+(5x32,48)+(5x101,18)+(1x32,6)]

- {[(1000x34,52) + (5000x32,48) + (3002x101,18) + (1000x32,6) + (999x32,6)] + (400x76,27)}

39 ∆Cp = [(100 x 1.301,08) + (50 x 5.826,76) + (300 x 735,42)] – [565.829,76 + (400 x 76,27)]

∆Cp = 45.714,24 J/mol K Sehingga ∆

untuk katalis asam ( 180° atau 453,15 K) adalah

∆

=∆

+

∆

.

∆

= -96.676.610 + (45.714,24 x (453,15-293,15)) = -89.590.902,8 J/mol = -89.590,901 kJ/mol

Persamaan ΔG° ΔG°

= ΔG° produk - ΔG° reaktan = [100ΔG°(C H O ) + 50 ΔG°( 300 ΔG°(

+ 400 ΔG°

)] – [ΔG°(C H O )

)

+

]

= [(100x(-1.358,62))+(50x(-5.915,02))+(300 x (-789,07))] – [(-569.769,52) + (400 x (-0,2371))] = -98.469,628 kJ/mol −

∆

−∆

+

∆

−

∆

∆

= ∆

∆

= (-96.676,61)–[(453,15/298,15)x (-96.676,61 - -98.469,628)]

+ [8,314 x (45.714,24/8,314) x (453,15-298,15)] – [(8,314 x 453,15) x (45.714,24/8,314) x (453,15-298,15)/453,15] ∆ ∆

= -99.401.768,84 J/mol = -99.401,77 kJ/mol

40

Tabel 2.9. Perbandingan Kondisi Operasi Proses Enzim dan Asam Metode Katalis Asam-Enzim Metode Parameter Katalis Asam Katalis Asam Sakarifikasi Faktor Termodinamika Temperatur (oC) 180 180 50 Tekanan (atm) 4 4 1 pH 1,9 1,9 7 ∆H -89.590,90 -89.590,90 -859,06 ∆G -99.401,77 -99.401,77 -879,27 o ∆H (25 C) -96.676,61 -96.676,61 -860,85 ∆G (25oC) -98.469,63 -98.469,63 -877,84 Bahan dan Produk Bahan Singkong Singkong Konversi (%) 98 Yield 57 57 Dekstrosa (18%) Produk Samping & Dekstrin Dekstrosa (18%) (24%) Faktor Ekonomi Harga Bahan Baku 149.896.271,82 73.783.138,96 (Rp/jam) Harga Katalis 5.216.876.408 2.567.892.532 (Rp/jam) Keuntungan -55.014.763,07 -117.080.650,19 (Rp/jam) Perawatan Mahal Mahal

Metode Katalis Enzim Likuifikasi Sakarifikasi 85 1 7 -20.746,12 -21.811,18 -21.341,43 -21.732,48

50 1 7 -859,06 -879,27 -860,85 -877,84

Singkong 95,14

98

-

-

18.327.636,38 227.078,68 57.202.860,70 Murah

41

Dengan kondisi seperti yang diperlihatkan dalam tabel 2.9. maka proses menggunakan metode hidrolisis dengan menggunakan katalis enzim lebih tepat untuk dipilih.

C. Uraian Proses Ada 3 tahap proses pembuatan Sirup Maltosa dengan menggunakan bahan baku singkong, yaitu: 1. Penyiapan Bahan Baku Singkong sebanyak 6.173,82 kg/jam di distibusikan dari gudang penyimpanan menuju Washing Machine untuk mengupas kulit ari singkong dan dibersihkan kotoran-kotoran yang masih terkandung pada singkong. Setelah tercuci bersih singkong dimasukan kedalam Cutting Machine selanjutnya ke Hammer Mill untuk mengecilkan ukuran singkong. Setelah ukuran singkong kecil dimasukan kedalam alat Mixing Tank untuk ditambahkan air agar menjadi slurry.

2. Proses Hidrolisa Pati Slurry lalu dipompakan menuju Rotary Vaccum Filter untuk dipisahkan antara serat dan kandungan patinya. Setelah itu lalu dipompakan ke Heat Exchanger untuk dipanaskan terlebih dahulu hingga suhu 85oC. Setelah itu diumpankan kedalam Reaktor Likuifiksasi yang beroperasi pada suhu 85oC dan tekanan 1 atm. Dalam proses di Reaktor Likuifikasi ditambahkan enzim α-amilase yang mempunyai fungsi sebagai katalis. Dari reaktor ini dihasilkan dekstrin yang menjadi bahan baku untuk Reaktor Sakarifikasi.

42

Sebelum diumpankan kedalam Reaktor Sakarifikasi, terlebih dahulu dekstrin keluaran Reaktor Likuifikasi didinginkan pada Heat Exchanger hingga suhu 50oC. Setelah didinginkan, larutan dekstrin masuk kea lat Centrifuge untuk dipisahkan dengan pati yang tidak bereaksi di Reaktor Likuifikasi. Pada Reaktor Sakarifikasi, dekstrin ditambahkan dengan enzim β-amilase sebagai katalis. Keluaran dari Reaktor Sakarifikasi berupa Sirup Maltosa dan reaktan yang tidak bereaksi.

3. Proses Pemurnian Produk Maltosa dan reaktan sisa reaksi dimasukan kedalam tangki karbon aktif untuk dilakukan untuk penyerapan enzim α-amilase dan β-amilase yang masih terkandung dalam produk. Keluaran dari tangki karbon aktif diumpankan kedalam evaporator untuk menguapkan sebagian H2O dalam produk.

43

Hidrolisis Pati dengan Katalis Enzim

Gambar 2.1. Blok Diagram Pabrik Maltosa dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun